DE10106371A1

DE10106371A1 - Vorrichtung für den Austausch von Wärme

Info

Publication number: DE10106371A1
Application number: DE10106371A
Authority: DE
Inventors: Ludwig Pilsl
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-02-12
Filing date: 2001-02-12
Publication date: 2002-08-14

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für den Austausch von Wärme zwischen flüssigen und/oder gasförmigen Fluiden, mit mehreren metallischen Rohren für die Führung von Fluiden, bei der die Außenwandung von Rohren für die Umströmung durch eines der Fluide vorgesehen ist. DOLLAR A Wesentlich ist, daß wenigstens zwei Rohre, deren Enden mit eigenen Anschlüssen versehen sind, durch eine unmittelbare, gut wärmeleitende Verbindung zu einem im Querschnitt flachen, eine mechanische Einheit bildenden Strang zusammengefügt sind, dessen für alle Rohre gemeinsame Außenwandung als Wärmetauschfläche für das sie umströmende Fluid vorgesehen ist. Die Vorrichtung ist insbesondere für den Einbau in einen Wärmespeicherbehälter geeignet.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung für den Austausch von Wär me zwischen flüssigen und/oder gasförmigen Fluiden, mit mehreren metalli schen Rohren für die Führung von Fluiden, bei der die Außenwandung von Rohren für die Umströmung durch eines der Fluide vorgesehen ist.

Vorrichtungen dieser Art sind seit langem bekannt und in Anwendung. Man kann hierbei zwei grundsätzlich unterschiedliche Bauarten unterscheiden. Bei der einen Art wird die Wärme zwischen in Rohren beziehungsweise in Ka nälen strömenden Fluiden ausgetauscht. Ein Beispiel hierfür zeigen u. a. die Deutschen Offenlegungsschriften 195 01 115 und 33 18 711. Bei der anderen Art sind Rohre in denen ein Fluid strömt, gegebenenfalls in Registerform in einem Gehäuse oder Behälter angeordnet und werden darin von einem wei teren Fluid umströmt. Beispiele hierfür zeigen u. a. die Deutschen Offenle gungsschriften 35 08 240 und die Deutsche Patentschrift 36 45 307 C2. Wie vor allem die Deutsche Patentschrift 36 45 307 erkennen läßt, strebt man durch die Verwendung von möglichst vielen, von dem Außenfluid umströmten Einzel rohren an, den für einen Wärmetransport von einem der Fluide in ein ande res der Fluide erforderlichen Temperaturunterschied möglichst gering zu machen. Das führt nicht nur zu räumlich aufwendigen Ausführungsformen, sondern auch zu nicht besonders günstigen Wärmetransfer-Verhältnissen wenn zwischen mehreren Fluiden Wärme ausgetauscht werden soll.

Gemäß der Erfindung wird diesem Problem bei einer Vorrichtung für den Aus tausch von Wärme zwischen flüssigen und/oder gasförmigen Fluiden, mit meh reren metallischen Rohren für die Führung von Fluiden, bei der die Außen wandung der Rohre für die Umströmung durch eines der Fluide vorgesehen ist, dadurch begegnet, daß wenigstens zwei Rohre, deren Enden mit eigenen Anschlüssen versehen sind, durch eine unmittelbare, gut wärmeleitende Ver bindung zu einem im Querschnitt flachen, eine mechanische Einheit bilden den Strang zusammengefügt sind, dessen für alle Rohre gemeinsame Außenwan dung als Wärmetauschfläche für das sie umströmende Fluid vorgesehen ist.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist die gemeinsamen Außenwandung mit gut wärmeleitenden, metallischen Zusatzflächen versehen, die mit der Außenwandung gut wärmeleitend verbunden sind und die Austauschfläche für ein den Strang umströmendes Fluid vergrößern. Der Strang wird vorteilhaft zu einer Spirale oder einem Mäander in der Weise geformt, daß sich flache Strangseiten im Abstand gegenüberstehen. Die Zusatzfläche besteht zweck mäßig aus einem mäanderförmig geführten, metallischen Band, das benachbar te Flächen der Strangaußenwand, insbesondere durch eine Lötverbindung gut wärmeleitend verbindet. Das metallische Band wird zweckmäßig derart ausge bildet und zugeordnet, daß die Spirale beziehungsweise der Mäander in sich versteift werden.

Auch können auch mehrere Stränge übereinanderliegend zu einer größeren Einheit mechanisch zusammengefaßt werden, wodurch nicht nur eine höhere Austauschleistung, sondern auch eine leichtere Anpaßbarkeit an den Innenraum eines Behälters oder Gehäuses, in dem die Vorrichtung eingebaut werden soll, ermöglicht wird. Dabei können die Anschlußleitungen der Vor richtung zugleich zur mechanischen Halterung im Behälter vorgesehen wer den. Durch einen Einbau in einen Behälter mit flüssigem Fluid in der Wei se, daß die flachen Strangseiten senkrecht stehen, wird die im Wärmetrans fer begründete Zirkulation des Behälter-Fluids gefördert. Für das Behäl ter-Fluid sind neben den üblichen Flüssigkeit wie Wasser und Öl auch die für Latent-Speicherung üblichen Fluide wie Natrium-Acetat und dergleichen einsetzbar.

Nachstehend wird die Erfindung anhand einer Zeichnung, die Ausführungsbei spiele wiedergibt, näher erläutert.

In der Zeichnung zeigt

die Fig. 1 im Querschnitt eine Ausführung eines Stranges aus drei Rohren,

die Fig. 2 in Schrägansicht die Aufwicklung eines Stranges zu einer Spirale,

die Fig. 3 eine Draufsicht auf eins Spirale nach der Fig. 2, bei der die Wärmetauschfläche durch ein mäanderförmig geführtes Kupferblech- Band (Lammellenblech) vergrößert ist, die zugleich als Abstandshalter zwischen benachbarten Außenflächen des Stranges dient,

die Fig. 4 eine erprobte Lamellenblech-Ausführung zur Vergrößerung der Außenfläche eines Stranges nach der Fig. 2,

die Fig. 5 die Einlagerung eines Stranges nach der Fig. 1 in ein Lamellenblech nach der Fig. 4,

die Fig. 6 eine mäanderförmige Führung des Stranges.

und die Fig. 7 einen erprobten Einbau eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers nach den Fig. 2 oder 3 in einen Wärmespeicher- Behälter

Der Strang St besteht besteht bei einer bevorzugten Ausführung der Erfin dung gemäß der Fig. 1 aus drei Kupferrohren R1, R2 und R3, die über eben falls aus Kupfer bestehende Stege 5 fest und gut wärmeleitend miteinander verbunden sind. Beim Ausführungsbeispiel haben die beiden äußeren Kupfer rohre R1 und R3 einen etwas geringeren Durchmesser als das mittlere Ku pferrohr R2. Beispielsweise hat das mittlere Kupferrohr einen Außendurch messer von 15 mm und die beiden äußeren Kupferrohre haben einen Außen durchmesser von 12 mm. Die beiden Stege S sind relativ kurz gehalten und haben eine Materialstärke von etwa 1 bis 2 mm, um eine gute Wärmeleitung über die Stege zwischen den drei Kupferrohren zu erreichen.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung gemäß der Fig. 2 ist der Strang St zu einer Spirale aufgewickelt. Wesentlich ist, daß die drei Rohre R1, R2 und R3, wie auch aus der Fig. 3 ersichtlich, getrennt zu äußeren Anschlüssen herausgeführt sind, sodaß sie einzeln in ein Heizungs system frei einfügbar sind. So kann das Rohr R1 in den Flüssigkeit-Kreis lauf eines Solarabsorbers, das Rohr R2 in den Flüssigkeit-Kreislauf eines Heizung-Herdes oder Heizkessels und das mittlere Rohr R3 in den Flüssig keit-Kreislauf einer Brauchwasser-Versorgung eingefügt werden.

Die Wirkungsweise eines derartigen Wärmetauschers kann man sich wie folgt verdeutlichen. Bei der Wärmeleitung innerhalb eines Körpers (flüssig oder fest) wird Wärmeenergie Q in Richtung eines Temperaturgefälles dT weiter geleitet. Bestimmend ist hierfür der Wärmedurchgangs-Widerstand des Kör pers, der durch die spezifische Wärmeleitfähigkeit ┌ des Materials aus dem der Körper besteht, die Durchtrittsfläche A im Körper und die Länge l des Wärmeflußweges im Körper bestimmt ist. Beim Wärmeübergang von einem Körper in einen anderen Körper tritt ein Übergangswiderstand auf, der als Wärme übergangswiderstand bezeichnet wird. Dieser wird bestimmt durch den Wärme übergangskoeffizienten α und die Übertrittsfläche A. Dabei berücksichtigt der Wärmeübergangskoeffizient α die von außen nicht meßbare Länge des Übergangsbereichs. Wesentlich ist hierbei, daß der Wärmeübergangskoeffi zient α im Fall, daß es sich um den Wärmeübergang zwischen einem flüssigen Körper und einem festen Körper handelt auch von den Strömungsverhältnissen stark abhängig ist. Für ruhendes Wasser um ein Rohr liegt der Wert α₁ für den Wärmeübergang zwischen umgebendem Wasser und der Rohraußenwand bei etwa 350 bis 580. Für in einem Rohr strömendes Wasser liegt, für einen Wärmeübergang zwischen der Rohrinnenwand und dem strömenden Wasser, der Wert α₂ zwischen etwa 2300 und 4700. In dem Wärmeübergangsweg zwischen dem äußeren und dem inneren Fluid addieren sich die einzelnen Wärmewiderstän de.

Die in der Zeitspanne t zwischen einem das Rohr umgebenden Fluid und einem in einem Rohr geführten Fluid transportierte Wärmemenge 0 wird somit außer durch die Temperaturdifferenz dT zwischen dem Einspeisungspunkt und dem Entnahmepunkt durch die Summe der einzelnen Wärmewiderstände bestimmt, entsprechend der bekannten Gleichung

0 = k.A.t.dT

mit 1/k = 1/α₁ + 1/α₂ + l/┌(sh. beispielsweise: Kuchling "Taschenbuch der Physik", 12. Auflage, Kapitel W, Abschnitte 18.2 bis 18.4; dort auch Angabe der Dimension)

Macht man die Übertrittsfläche zwischen der Rohraußenseite und der umge bende Flüssigkeit sehr groß gegenüber der Übertrittsfläche zwischen der Rohrinnenseite (α₁ << α₂) und der im Rohr strömenden Flüssigkeit, so kann dadurch der gesamte Wärmewiderstand verkleinert werden. Der Wärmedurch gangs-Widerstand der Rohrwandung, wenn sie aus einem gut wärmeleitenden Material wie Kupfer besteht und die Rohrwandung nicht zu dick und damit die Wärmeweglänge in der Rohrwandung klein genug ist, kann meist gegenüber dem gesamten Wärmewiderstand vernachlässigt werden. Im Wärmestromkreis verbleiben dann i. w. nur noch die im wentlichen durch α₁ und α₂ bestimmten Wärmeübergangswiderstände zwischen umgebendem Fluid und der Rohraußenseite bzw. dem im Rohr strömenden Fluid und der Rohrinnenseite. Wenn die Rohraußenfläche erheblich größer als die Rohrinnenfläche gemacht wird, kann der gesamte Wärmewiderstand dem Wert des Wärmeübergangs auf der Rohrinnenseite angenähert werden (Grenzfall).

Auch im Fall das erfindungsgemäßen Wärmetauschers wird ohne zusätzliche Maßnahmen das Wasser im Speicherbehälter im Vergleich zum Wasser in den Rohren ahne besondere Maßnahmen praktisch nur mit geringfügiger Geschwin digkeit strömen, weshalb die beiden Wärmeübergangskoeffizienten (α₁, α₂) sehr unterschiedlich sind. Die beiden, metallisch mit dem Hauptrohr R2 über die Stege S verbundenen weiteren Rohre R1 und R2 bringen durch die damit erreichte Vergrößerung der gesamten äußeren Austauschfläche jedoch eine erhebliche Minderung das insgesamt wirksamen gesamten Wärmeübergangs widerstandes und damit eine Annäherung an den obenerwähnten Grenzwert. Die zusätzliche Anbringung von Lamellen Cu-B gemäß der Fig. 3 bringt eine weitere Vergrößerung der Austauschfläche und damit eine weitere Absenkung des Wärmeübergangswiderstandes in diesem Bereich. Hinsichtlich des Wärme übergangs von einem Fluid in einem Rohr (z. B. R2) auf ein Fluid in einem der anderen Rohre (z. B. R1) ist der Wärmeübergang bei einer erfindungsge mäßen Strangausbildung und der damit erzielten wärmeleitenden Verbindung, insbesondere den Steg S, und deren relativ geringem Wärmedurchlaßwider stand - gegenüber getrennten Rohren - praktisch auf zwei Wärmeübergangswi derstände reduziert. Das ist vor allem bei einem Wärmetauscherbetrieb mit getrennten Rohren (siehe beispielsweise die DE-PS 36 45 307 C2) von Vor teil.

Die in der Fig. 3 wiedergegebene Draufsicht auf einen spiralförmig ausge bildeten Wärmetauscher zeigt zusätzlich zur Fig. 2 noch die Einfügung eines Lamellenblechbandes Cu-B zwischen den einzelnen Windungen des spi ralförmig geführten Stranges St. Dieses Lamellenblech, das nachstehend noch anhand der Fig. 4 und 5 näher beschrieben wird, erfüllt zweierlei Aufgaben. Zum einen wird durch seine gut wärmeleitende Verbindung zum Strang St dessen äußere Austauschfläche nicht nur zusätzlich, sondern auch wesentlich vergrößert. Zum anderen wird die Spirale in sich mechanisch versteift, wodurch nicht nur die mechanische Festigkeit des Wärmetauschers erhöht, sondern auch die Aufhängung des Wärmetauschers in einem Wärmespei cher-Behälter erleichtert wird. Er kann hierdurch beispielsweise über seine Abschlußleitungen und/oder Laschen im Behälter verankert werden. Die Anschlußleitungen sind in der Fig. 3 mit KV (Kesselvorlauf), KR (Kesselrücklauf), KW (Kaltwasser-Zuleitung), WW (Warmwasser-Leitung), SV (Solarabsorber-Vorlauf) und SR (Solarabsorber-Rücklauf) bezeichnet.

Die Fig. 4 zeigt einen kurzen Abschnitt einer erprobten Ausführung des Lamellenblechs Cu-B. Das Lamellenblech besteht aus einem Kupferblechband geringer Stärke, beispielsweise von 0,1 mm und hat beispielsweise eine Brite von etwa 5 cm, bei den anhand der Beschreibung der Fig. 1 gegebe nen Rohrabmaßen. Das Lamellenband ist mänderförmig gebogen und jeweils in den Scheitelbereichen mit Eindrückungen E1, E2 und E3 versehen, in denen, wie aus der Fig. 5 ersichtlich die einzelnen Rohre des Stranges St zur Vergrößerung der Außenfläche eines Stranges nach der Fig. 2, eingelagert werden. Das Lamellenband Cu-B wird mit den Rohren in den Eindrückungen E1, E2 und E3, die so gestaltet sind, daß sie sich an die Rohre anschmiegen, jeweils verlötet. Da die Lötmittelschicht sehr dünn und die Übergangsflä che durch die flächenhaften Eindrückungen relativ groß ist, erhält der Wärmewiderstand einen so kleinen Wert, daß er vernachlässigbar ist.

In der Fig. 8 ist eine mäanderförmige Führung des Stranges St gezeigt. Auch hier ist zwischen den einzelnen Strangabschnitten ein Lamellenband Cu-B eingefügt. Dia zur Fig. 2 gleichen Teile sind mit den dort verwende ten Bezugszeichen versehen. Die einzelnen Strangabschnitte sind in ihren Längen so bemessen, das die Grundform des Mänders einem umschriebenen Kreis entspricht. Das ist von Vorteil für einen Speicherbhälter kreisför migen Querschnitts. Es ist jedoch auch möglich die Abschnittslängen anders zu bemessen, beispielsweise derart, daß die Grundform einem umschriebenen Rechteck oder Quadrat entspricht.

Die Fig. 7 zeigt einen erprobten Einbau eines erfindungsgemäßen Wärmetau schers WT1 nach den Fig. 2 oder 3 in einen Wärmespeicher-Behälter SB. Der Wärmetauscher WT1 ist über seine nicht näher bezeichneten Anschlußleitungen im Behälter verankert. Beim Beispiel erfolgt dies durch eine seitliche Herausführung derselben. Alternativ kann diese auch in der oberen Behälterwandung erfolgen. Der Behälter ist mit einem flüssigen Speichermittel wie Wasser gefüllt. An dessen Stelle sind auch andere Spei chermittel wie Paraffinöl und auch Latentwärme-Speichermittel einsetzbar. Bekannt sind hierfür beispielsweise Natriumacetat und dessen Hydrat sowie Kupfersulfat-Pentahydrat.

Es können auch - wie gestrichelt mit WT2 angedeutet - weitere Wärmetau scher vorgesehen werden, die dem Wärmetauscher WT1 innerhalb oder außer halb des Behälters parallel geschaltet werden.

Zur Erhöhung des Wärmeübergangs zwischen der Außenfläche eines Wärmetau schers und dem flüssigen Speichermittel kann mit Vorteil auch eine Zwangs strömung im Speicherbehälter vorgesehen werden. Mit Vorteil kann dies - wie in der Fig. 7 gezeigt - durch eine Zirkulationsleitung ZL realisiert werden, die von einem oberen Anschluß des Speicherbehälters zu einem unte ren Anschluß des Speicherbehälters führt. Im Speicherbehälter entsteht dann beim Betrieb ähnlich wie bei der Schwerkraftheizung eine den Wärme austausch fördernde Strömung. Diese läßt sich durch eine Zirkulationspume ZP noch erhöhen, weil sich dann der Wärmeübergangskoeffizient α an dieser Übergangsfläche dem an der Rohrinnenfläche annähern läßt. Am oberen Behäl teranschluß kann noch ein Anschluß FÜ für die Befüllung und auch die Ent lüftung des Behälters vorgesehen werden. Die Füllöffnung kann jedoch auch am unteren Behälterbereich angeordnet sein, wo zweckmäßig auch ein Aus dehnungsgefäß AG angeschlossen wird.

Zur Strangausbildung ist noch zu erwähnen, daß die Anzahl der Rohrs im Strang auch von drei verschieden sein kann. Wenn z. B. im Einzelfall nur zwei rohrförmige Führungskanäle für rohrgeführte Fluide benötigt werden - das ist beispielsweise dann der Fall, wenn die dem Speicher nur von einem Solarabsorber oder nur von einer anderen Wärmequelle, wie einem Heizkessel zugeführt werden muß -, dann kann der Strang aus nur zwei über einen Steg verbundenen Rohren bestehen. Es kann aber mit Vorteil auch eine hinsicht lich der Anzahl von in Rohren zu führenden Fluiden größere Anzahl von Roh ren vorgesehen werden. In diesem Fall können dann mehrere Rohre entspre chend parallel geschaltet werden. Dies führt bezogen auf die äußere Aus tauschfläche zu einer an sich erwünschten Flächenvergrößerung.

Claims

1. Vorrichtung für den Austausch von Wärme zwischen flüssigen und/oder gasförmigen Fluiden, mit mehreren metallischen Rohren für die Führung von Fluiden, bei der die Außenwandung von Rohren für die Umströmung durch eines der Fluide vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, wenig stens zwei Rohre, deren Enden mit eigenen Anschlüssen versehen sind, durch eine unmittelbare, gut wärmeleitende Verbindung zu einem im Querschnitt flachen, eine mechanische Einheit bildenden Strang zusam mengefügt sind, dessen für alle Rohre gemeinsame Außenwandung als Wärmetauschfläche für das sie umströmende Fluid vorgesehen ist.

2. Vorrichtung nach Anspruche 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ge meinsame Außenwandung mit einer gut wärmeleitenden, metallischen Zu satzfläche versehen ist, die mit der Außenwandung gut wärmeleitend verbunden sind und die Austauschfläche für das den Strang umströmende Fluid vergrößert.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Strang zu einer Spirale in der Weise geformt ist, daß sich flache Strangseiten im Abstand gegenüberstehen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Strang zu einem Mänder in der Weise geformt ist, daß sich flache Strangseiten im Abstand gegenüberstehen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4 und einer Zusatzfläche nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzfläche aus einem mäanderförmig geführten, metallischen Band besteht, das benachbarte Flächen der Strangaußenwand, insbesondere durch eine Lötverbindung gut wärmeleitend verbindet.

5. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das metallische Band derart ausgebildet und angeordnet ist, daß die Spirale oder den Mäander in sich versteift werden.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Stränge übereinanderliegend zu einer größeren Einheit zusammengefaßt sind.

8. Wärmespeicher mit einem für die Aufnahme eines flüssigen Fluids bestimmten Behälter in dem eine Vorrichtung für den Austausch von Wärme nach einem der Ansprüche 1 bis 7 angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß Anschlußleitungen der Vorrichtung zugleich zur mechanischen Halterung im Behälter vorgesehen sind.

9. Wärmespeicher mit einem für die Aufnahme eines flüssigen Fluids bestimmten Behälter in dem eine Vorrichtung für den Austausch von Wärme nach einem der Ansprüche 1 bis 8 angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung über Laschen an der Behälterinnenwand verankert ist.